Ein Industrieroboter ist ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat, der vom Anwender frei programmiert werden kann. Einsatzfelder sind beispielsweise Werkstückhandhabung und Werkstückbearbeitung, die Montage oder die Durchführung von kontaktlosen Anwendungen sowie die Werkstückvermessung. Im Gegensatz zu Servicerobotern sind sie für den Einsatz im industriellen Kontext gedacht.

Die fünf Hauptbestandteile eines Industrieroboters sind:

1. Manipulator: Hierunter versteht man den eigentlichen Roboterarm, der aus einem Sockel, den Achsen mit dazugehörigen Antriebseinheiten, mechanischen Verbindungsgliedern zur Kopplung der Achsen, Kabeln und Leitungen sowie, abhängig von der Ausführung, aus einem Gehäuse besteht.

2. Steuerung: Diese wird sowohl zur Steuerung als auch zur Regelung des Industrieroboters benötigt.

3. Effektor, auch Endeffektor: Er bezeichnet das Werkzeug, das an das Ende des Roboterarms montiert werden kann. Neben üblichen 2-Finger Greifern zur Bewegung von unterschiedlichen Objekten, kann darunter auch eine Schweißzange zur Werkstückbearbeitung fallen.

4. Schaltschrank: Dieser beinhaltet die elektrischen sowie informationstechnischen Schnittstellen zur Kommunikation mit weiteren Sensoren, Aktoren oder Anlagen.

5. Bedienpanel: Das Bedienpanel dient zur visuellen Programmierung und Steuerung des Manipulators.

Durch ihre Vielseitigkeit sind Industrieroboter in sämtlichen Unternehmensbereichen und Branchen einsetzbar. Derzeit finden die meisten Industrieroboter in der Automobilindustrie sowie im Zuliefererbereich Anwendung. Aber auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Kunststoffbearbeitung und der Medizintechnik, verrichten Industrieroboter wertvolle Arbeit. Innerhalb der Unternehmen sind sie zum Beispiel in der Fertigung, Montage, Qualitätssicherung, aber auch in der Forschung und Entwicklung im produktiven Einsatz.

Mit HORST bietet fruitcore robotics innovative 6-Achs-Industrieroboter für verschiedenste autonome Anwendungen und Automatisierungslösungen.

Abb.: Beispielhafter Aufbau eines Knickarmroboters

 

Manipulator: Dieser Begriff beschreibt den eigentlichen Roboterarm, also die beweglichen Verbindungsglieder des Roboters, die jeweils über zwei Gelenke miteinander verbunden sind. Der mechanische Aufbau besteht aus den verschiedenen Armgliedern, die auch als Schwenkarm und Tragarm bezeichnet werden.

Effektor, auch Endeffektor: Er bezeichnet das Bearbeitungswerkzeug am Ende des Roboterarmes, zum Beispiel einen Greifer. Je nach Anwendungsfall können diese Effektoren unterschiedlich ausfallen.

Die zentrale Steuereinheit mit allen externen Schnittstellen befindet sich im Schaltschrank.

Das Bedienpanel, auch Leitrechner genannt, ermöglicht mit der zugehörigen Software die Programmierung und Bedienung des Roboters.

Die Antriebe zur Bewegung der Armglieder sind beim Industrieroboter vorwiegend elektrisch. Sie bestehen aus Motoren, gegebenenfalls Getrieben und einer Positionssensorik (meistens Drehgeber).

Zum Grundaufbau eines Roboters kommt gegebenenfalls noch weitere Sensorik hinzu.

Die Anforderungen an Industrieroboter sind vielfältig und komplex – entsprechend gibt es eine Vielzahl verschiedener Typen von Industrierobotern.

Knickarmroboter
auch Gelenkarmroboter genannt, zeichnen sich durch eine serielle Anordnung der Achsen aus. In der Industrie kommen sie in verschiedenen Aufgabenbereichen zum Einsatz. Sie sind häufig im Maschinenbau und in der Automobilbranche zu finden.

Kollaborative/Kollaborierende Roboter
werden auch Cobots genannt. Dank ihrer eingebauten Sensoren sind sie in der Lage, direkt mit dem Menschen zusammenzuarbeiten. Sie werden bei Aufgaben eingesetzt, die aufgrund ihrer Komplexität nicht vollständig automatisiert werden können.

Palettierroboter
stapeln und positionieren verschiedenste Packstücke – Kisten, Säcke, Behälter, Flaschen und Kartons – auf Paletten. So fassen Sie die Packstücke automatisch auf Ladungsträgern zum Weitertransport zusammen.

SCARA-Roboter
eignen sich für Montage und Fügeaufgaben, sowie für Pick-and-Place Anwendungen. SCARA-Roboter nehmen Werkstücke auf und bewegen Sie an eine vorgegebene Position, an der sie die Werkstücke von oben einfügen.

Portalroboter
eigen sich auf Grund ihrer Bauweise (vergleichbar mit einem Containerkran) unter anderem für Transportaufgaben.

Delta-Roboter
sind sehr schnell und präzise. Sie werden häufig in der Verpackungsindustrie, der medizinischen und pharmazeutischen Industrie aber auch bei Operationen in Krankenhäusern eingesetzt. Auch als 3D-Drucker kommen Delta-Roboter zum Einsatz.

Dual-Arm-Roboter
erinnern mit ihren beiden am Grundköper angebrachten Armen in Knickarmkinematik ein wenig an einen Menschen. Sie werden in Bereichen eingesetzt, in denen eine geringe Traglast (bis 20 kg) ausreicht. Oft sind sie im Servicebereich und Medizinbereich zu finden.

Hexapod-Roboter
verfügen über sechs Beine und lassen damit Bewegungen in alle sechs Richtungen zu. Sie finden ihr Einsatzgebiet unter anderem im Bereich der Bewegungssimulation oder im Messbereich.

Grundsätzlich lassen sich zwei kinematische Strukturen unterscheiden: die serielle Kinematik und die parallele Kinematik.

 

Serielle Kinematik:

Eine serielle Kinematik ist gegeben, wenn die verwendeten Achsen seriell angeordnet werden. Das heißt: Jedes gelenkige Armglied des Industrieroboters ist an genau einer Stelle mit dem jeweils nachfolgenden Glied verbunden. An einem Ende der kinematischen Kette ist das Armglied mit einem Effektor (z.B. Greifer) verbunden, mit dem anderen Ende an nur einem Verbindungspunkt mit dem Sockel. In seriellen Kinematiken werden translatorische (T-Achsen) und rotatorische (R-Achsen) Achsen miteinander kombiniert.

Gelenkarmroboter oder auch Knickarmroboter genannt, verfügen über eine serielle Kinematik. Sie lassen sich anhand ihrer Achsenanzahl in weitere Untergruppen differenzieren:

• • 5- und 6-Achs-Roboter:  5 bzw. 6 Rotationsachsen
  • 7-Achs-Knickarmroboter: 7 Rotationsachsen
  • Dualarm-Roboter: 2 Arme mit je 7 Rotationsachsen sowie 1 weitere Rotationsachse
  • Palettierroboter: 2 oder 4 Rotationsachsen
  • SCARA-Roboter: 3 parallelen Rotationsachsen, 1 Linearachse

Portalroboter
verfügen über drei Linearachsen. Ihr Bewegungsablauf ist mit einem von oben greifenden Containerkran vergleichbar. Es gibt Varianten, bei denen neben den drei Linearachsen eine weitere Rotationsachse am Greifer verbaut ist.

 

Parallele Kinematik:

Parallele Kinematiken verfügen über parallel angeordnete Achsen, die eine geschlossene kinematische Kette bilden, das heißt, es gibt kein Ende der Kette sowie mehrere Verbindungspunkte zum Sockel.

Hexapod-Roboter
griech. “Sechsfüsser”, verfügen, wie der Name schon sagt, über sechs Linearachsen.

Delta-Roboter
verfügen über drei Rotationsachsen, die eine geschlossene Kinematische Kette bilden, da sie an der oben angebrachten Basis montiert sind.

Abb.: links: parallele Kinematik, rechts: serielle Kinematik

 

Industrieroboter HORST: Kombination von paralleler und serieller Kinematik mit innovativer Viergelenkkette

Der Industrieroboter HORST900 und HORST1400 ist durch seine Viergelenkkette die größte Mechanik-Innovation auf dem Industrierobotermarkt seit Langem.
Die Hauptachsen zwei und drei werden über die Viergelenkketten angetrieben. Das bedeutet, dass die Bewegungs- und Kraftübertragung nicht wie üblicherweise direkt an den Roboterachsen mittels einer Antriebseinheit – im Regelfall Elektromotor und Getriebe – erfolgt, sondern indirekt über die Viergelenkketten. Somit liegen die Antriebswellen und die eigentliche Roboterachse nicht an der gleichen Position.

Dieses Konzept bietet gleich mehrere Vorteile:  Die Viergelenkketten sind so angeordnet, dass sie eine hohe Kraftübertragung ermöglichen, wenn die Position des Roboters dies erfordert. Wenn die Kraft nicht erforderlich ist wird das Übersetzungsverhältnis kleiner. Der Industrieroboter HORST vereint somit die Vorteile von parallelen mit denen serieller Kinematiken.

Die Mechanik von Industrierobotern ist in der Regel sehr robust und unterliegt nur einem geringen Verschleiß. Der grundlegende Aufbau eines Industrieroboters hat sich in den vergangenen Jahrzehnten kaum geändert – relevante Neuerungen waren in diesem Bereich nicht zu verzeichnen.

Im Bereich der Schnittstellen ist die Entwicklung am Markt etwas dynamischer, allerdings nicht vergleichbar mit anderen Bereichen, wie beispielsweise Smartphones oder Computern. Dennoch sind in der jüngeren Vergangenheit neue Schnittstellen entstanden oder haben stark an Bedeutung gewonnen. Beispiele hierfür sind OPC-UA, IO-Link, aber auch Profinet. Ebenfalls erwähnenswert ist die vergleichsweise neue Thematik ROS.

HORST verfügt über modernste Elektronik und die in der Industrie gängigen Schnittstellen. Allen voran punktet HORST mit seiner Software, die sehr einfach zu bedienen ist und neue Maßstäbe setzt. Im Vergleich zu den Bedienkonzepten etablierter Roboterhersteller, wurde die Robotersoftware horstFX von Grunde auf neu entwickelt, wobei die Bedienerfreundlichkeit, auch für die Erstellung komplexer Programme, stets im Mittelpunkt stand.

Der Industrieroboter HORST wird ständig mechanisch, elektrisch und auf Softwareebene weiterentwickelt und ist zum Beispiel in Bezug auf die Software horstFX updatefähig.

Die Kosten einer Automatisierungslösung mit Industrierobotern hängen von dem zu automatisierenden Prozess ab.
Die Gesamtkosten für ein Robotersystem gliedern sich in mehrere Bestandteile. Neben den reinen Anschaffungskosten für den Roboter, kommen noch Kosten für die Peripherie (z. B. Sensoren, Sicherheitsbarrieren, Bediengeräte sowie Greifer, Sauger oder andere Werkzeuge/Effektoren) hinzu. Diese Zusatzmodule machen in vielen Fällen einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten für ein Robotersystem aus.
Ein weiterer Kostenpunkt ist das System Engineering, worunter beispielsweise die Programmierung und die Installation eines Robotersystems fallen.
Auch das Projektmanagement, die Inbetriebnahme, der eigentliche Betrieb, die Instandhaltung sowie die Wartung müssen in die Gesamtkostenrechnung einfließen.

Bei der Fertigung geringer Stückzahlen sind die Rüstkosten zu beachten, hierunter fallen alle Kosten für die Umrüstung des Robotersystems auf eine neue Aufgabe, insbesondere die Programmierung neuer Roboterprogramme zum Handling anderer Bauteile.

Marktzahlen und Prognosen belegen, dass ein Robotersystem inklusive Peripherie, System Engineering und Projektmanagement im Jahr 2014 noch rund 133.000 EUR, im Jahr 2020 rund 117.000 EUR und im Jahr 2025 rund 104.000 EUR kosten.

HORST hebt sich hinsichtlich der Kosten sehr stark von anderen Robotersystemen ab. Möglich macht dies die innovative Kinematik und das damit verbundene Antriebskonzept. Auch die Fertigungstechnologie spielt eine große Rolle und sorgt dafür, dass HORST mit einzigartig niedrigen Anschaffungskosten verbunden ist. Gleichzeitig legt fruitcore robotics Wert auf höchste Qualität, weshalb Industrieroboter HORST auch direkt vor Ort in Konstanz am Bodensee gefertigt wird.

Der Vorteil der geringen Anschaffungskosten vergrößert sich mit jedem Jahr der Verwendung, da der Industrieroboter HORST sehr sparsam betrieben werden kann und vergleichsweise verschleißarm ist. Auch die Einfachheit der Programmierung zahlt sich, gerade bei wechselnden Werkstücken, durch geringe Rüstkosten aus.

Die Amortisationszeit eines Industrieroboters liegt in der Regel bei 3 bis 4 Jahren und unterliegt verschiedenen Faktoren.  Für eine Berechnung müssen die gesamten entstehenden Kosten für ein Robotersystem mit der konventionellen Fertigung ohne Roboter verglichen werden.

Neben dem reinen Kostenabgleich müssen jedoch auch qualitative Aspekte in die Bewertung mit einbezogen werden. Eine Wiederverwendbarkeit des automatisierten Systems bei der Umstellung der Produktion oder bei einem Aufgabenwechsel können die Investitionskosten für neue Anlagen reduzieren und spielen somit ebenfalls in die Betrachtung der Gesamtkostenrechnung hinein.

Durch die einfache Implementierung und den günstigen Preis liegt der Industrieroboter HORST von fruitcore robotics deutlich unter den durchschnittlichen Amortisationszeiten. So liegt die Amortisationszeit von HORST bei einer Betrachtung der Nutzung in einem Dreischicht-Betrieb bei unter 6 Monaten.

Kollaborative Roboter, auch Cobots genannt, sind Roboter, die ohne zusätzliche externe Sensorik Hand in Hand mit dem Menschen arbeiten können. Cobots verfügen über Sensoren am oder im Roboter, die einen Kontakt mit dem Menschen detektieren.

Das Ziel der direkten Zusammenarbeit von Cobot und Mensch ist es, die motorischen Fähigkeiten sowie die Fähigkeit der differenzierteren Wahrnehmung des Menschen, mit den Vorzügen des Roboters (Kraft, Genauigkeit, Ausdauer und Geschwindigkeit) zusammen zu bringen. Somit werden Aufgaben, bei denen beide Kapazitäten gebraucht werden und ein Wechsel von manueller und automatischer Tätigkeit nötig ist, kombinierbar.

Momentan sind nur die wenigsten Prozesse für den Einsatz von Cobots zugelassen, weshalb bisher nur wenige kollaborative Roboter ohne zusätzliche Sicherheitseinrichtungen im Einsatz sind. Die Geschwindigkeit und das Drehmoment beziehungsweise die Kraft eines Cobots ist – im Vergleich zu einem Industrieroboter – aus Sicherheitsaspekten eingeschränkt.

Industrieroboter arbeiten getrennt von menschlichen Mitarbeitern und erfordern Sicherheitsbarrieren. Dadurch können sie, ohne Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Drehmoment beziehungsweise Kraft, ihr gesamtes Potenzial effizient ausschöpfen.

Wir haben den Fokus auch bei HORST bewusst auf die Leistungsfähigkeit gelegt und Industrieroboter geschaffen, die die Vorteile von kollaborativen Robotern und herkömmlichen Industrierobotern vereinen. Mit der einfachen Bedienbarkeit eines Cobots, durch die Steuerung über eine schnelle und einfache Benutzeroberfläche, und der Effizienz eines Industrieroboters.

Die Möglichkeit, einen Leichtbauroboter zum Arbeiten in Koexistenz und Kooperation mit dem Menschen aufzurüsten, ist in vielen Fällen gegeben. Auch bei HORST ist dies möglich. Er ist ohne externe Sensorik zwar kein Cobot, kann jedoch mit den richtigen Sensoren so aufgerüstet werden, dass eine bestimmte Zusammenarbeit mit dem Menschen möglich ist. Seine Safety-Steuerung lässt sich ohne großen Aufwand an Sicherheitssensoren wie Laserscanner oder Lichtvorhang anschließen. Dies ermöglicht einen überwachten Halt sowie eine Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung. Dem Arbeiten ohne klassischen Schutzzaun in benachbarten Bereichen sowie in gemeinsamen Arbeitsbereichen zu unterschiedlichen Zeitpunkten steht also nichts entgegen.

Der US-Amerikaner Gregor Devol ließ sich bereits im Jahre 1954 einen mechanischen Arm patentieren. Der Schritt zum ersten Industrieroboter war damit gemacht. Bis der Industrieroboter in Betrieb gehen konnte, dauerte es jedoch noch einige Jahre.

1956 traf Devol den Physiker, Ingenieur und Unternehmer Joseph Engelberger. Zusammen gelang es den Beiden, dass bereits 1959 die ersten Prototypen des Unimate – so nannten seine Erfinder den Industrieroboter – bei General Motors installiert wurde.

Schon zwei Jahre später wurde der Unimate zum Schweißen von Druckgussteilen an Karosserien bei General Motors eingesetzt. Noch im selben Jahr gründeten Engelberger und Devol ihr Unternehmen Unimation (Abkürzung für Universal Automation) und entwickelten den Industrieroboter weiter. Zum ersten Prozess des Schweißens von Druckgussteilen kam 1966 auch noch Lackieren und Punktschweißen hinzu.

In den USA war das Interesse am Unimate nicht groß, in Japan war er allerdings die Hoffnung auf die Lösung zum bestehenden Problem des Fachkräftemangels. So wurden in Japan bereits 1967 erste Industrieroboter, mit hydraulischen Zylindern als Antriebsquelle, eingesetzt. Erst ab 1970 wurden in Deutschland die ersten Industrieroboter in der Automobilindustrie, bei Mercedes-Benz, genutzt.

Heute sind Industrieroboter aus der Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken und kommen in allen Bereichen und Branchen zum Einsatz.

Industrieroboter HORST von fruitcore robotics gibt es seit 2016. Seitdem sind unsere Industrieroboter in vielen Branchen, etwa der Medizintechnik, der Kunststofftechnik oder der Metallverarbeitung, vertreten.